Les matériaux magnétiques sont connus depuis l’Antiquité et jouent un rôle important dans la société moderne, où l’ordre magnétique net offre des voies vers la récupération d’énergie et le traitement des données. C'est le moment magnétique net des ferromagnétiques qui a jusqu'à présent été la clé de leurs applications, avec un type alternatif de matériau magnétique, l'antiferromagnétique, jugé « inutile » par leur découvreur Louis Néel dans sa conférence du prix Nobel.
Ces dernières années, les antiferromagnétiques ont suscité un intérêt croissant, qui offrent un certain nombre d'avantages technologiques intéressants, notamment un ordre robuste et une dynamique ultrarapide, avec toutefois le défi qu'ils sont difficiles à détecter et à manipuler électriquement.
La découverte récente d'un nouveau type d'ordre magnétique, l'alter-aimant, a renversé cette vision : en combinant l'ordre antiferromagnétique avec des propriétés de type ferromagnétique telles que les effets spintroniques, ils promettent une multitude d'avantages pour de futures applications.
Depuis les premiers travaux théoriques prédisant l’altermagnétisme, le domaine s’est développé rapidement, les travaux théoriques et expérimentaux ayant conduit à des avancées dans notre compréhension.
L’une des questions qui restaient cependant était la nature globale de la commande et si elle pouvait être mesurée expérimentalement. Alors que la plupart des études expérimentales antérieures utilisaient des films minces ou des techniques intrinsèquement sensibles à la surface, la question restait de savoir comment les propriétés altermagnétiques se manifestaient à travers la majeure partie d'un matériau.
Pour relever ce défi, une équipe de recherche internationale dirigée par Claire Donnelly de l’Institut Max Planck a effectué des mesures en microscopie à rayons X à transmission par balayage (STXM) avec une résolution spatiale nanométrique sur des lamelles extraites d’un monocristal.
De cette manière, ils ont pu observer avec succès des domaines altermagnétiques dans des échantillons massifs de MnTe – un alter-aimant candidat – qui jusqu’à présent n’avaient été observés que dans des systèmes à couches minces. L'ouvrage est publié dans la revue Examen physique appliqué.
Ces mesures de rayons X ont non seulement permis à l’équipe d’observer la configuration magnétique, mais en les effectuant en fonction de l’énergie des rayons X, elles ont pu répondre à des questions en suspens sur la nature altermagnétique du matériau.
« Dans les mesures précédentes publiées par nos collègues, le dichroïsme des rayons X mesuré était nettement plus faible que ce que prédisait la théorie », explique Rikako Yamamoto, chercheur postdoctoral à l'Institut Max Planck de physique chimique des solides et premier auteur de l'étude.
« Mais lorsque nous avons comparé nos résultats, nous avons constaté que l'intensité des signaux correspondait presque parfaitement à la théorie, ce qui nous a permis de confirmer que la majeure partie de notre échantillon est altermagnétique. »
Les expériences ont été menées sur la ligne de lumière MAXYMUS du synchrotron BESSY-II à Berlin.
Dans l’expérience, les rayons X polarisés circulairement ont été focalisés jusqu’à une taille de point nanométrique et balayés à travers l’échantillon, le signal transmis étant mesuré pour différentes polarisations. Ce soi-disant « dichroïsme circulaire magnétique à rayons X » est le plus souvent associé aux ferromagnétiques, où le signal correspond à un moment magnétique net, mais est généralement nul dans les antiferromagnétiques, où la magnétisation nette disparaît.
Les altermagnétiques, en revanche, présentent ce dichroïsme des rayons X, malgré leur ordre antiferromagnétique, ce qui permet de cartographier leurs propriétés à l'échelle nanométrique.
« Ce qui était particulièrement intéressant, c'était la variété des caractéristiques que nous avons observées dans les images dichroïques aux rayons X », explique Donnelly. « En plus d'observer des régions claires et sombres qui correspondent à des régions d'orientations différentes de l'ordre altermagnétique, nous avons également observé un certain nombre de caractéristiques à l'échelle nanométrique avec des motifs plus complexes. »
Des signaux dichroïques évocateurs de structures topologiques ont été observés, notamment des parois de domaine et des textures sinueuses ressemblant à des vortex. « Le fait que de telles structures puissent être observées dans des monocristaux naturels était surprenant », a poursuivi Yamamoto.
« Cela signifie, espérons-le, que cette approche pourra également offrir une plate-forme pour explorer les textures magnétiques topologiques et leur comportement. »
Cette étude fournit non seulement des preuves expérimentales de la nature globale de l’altermagnétisme dans MnTe, mais établit également la nanoimagerie par rayons X par transmission comme une méthode puissante pour identifier l’ordre altermagnétique.
À l’avenir, l’approche pourra être facilement appliquée à de nombreux autres alter-aimants candidats, prédits par les théoriciens. Marcus Schmidt, scientifique à l'Institut Max Planck de physique chimique des solides, qui a développé le monocristal MnTe, a expliqué : « Le fait que nous puissions maintenant cultiver ces matériaux et sonder directement leur ordre altermagnétique à l'échelle nanométrique avec des rayons X est très excitant. Qui sait ce que nous trouverons. »
